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1、现代钢桥新型结构型式及其疲劳问题分析3李小珍 任伟平 卫 星 强士中(西南交通大学 土木工程学院 成都 610031)摘 要 随着各种形式的钢桥在我国得到大规模建设,特别是一些新型结构型式和制造工艺不断出现在现代钢桥 中,钢桥构件的疲劳性能在设计时需特别关注。在对钢桥疲劳性能影响因素、 钢桥疲劳设计关键参数以及疲劳荷 载分析的基础上,对现代钢桥中的一些典型构造细节的疲劳性能进行了分析,并对防止钢桥疲劳的方法进行了总 结,最后指出了目前我国钢桥疲劳研究中存在的一些问题,这对有效地防止钢桥疲劳破坏事故的发生,提高我国钢 桥的设计和制造水平具有重要的意义。 关键词 钢桥 疲劳 疲劳荷载 索梁锚固 整
2、体节点 正交异性钢桥面板 管节点 短吊杆NEW STRUCTURAL TYPES AND FATIGUE PROBLEMS OF MODERN STEEL BRIDGE STRUCTURESLi Xiaozhen Ren Weiping Wei Xing Qiang Shizhong(School of Civil Eng. , Southwest Jiaotong University Chengdu 610031)ABSTRACT A number of steel bridges including some news types of structures and manufactur
3、e processes were built inChina in last years1The fatigue performance of these modern steel bridges should be taken into account in design andmaintenance1It is discussed that the influence factors for steel bridges fatigue strength , some important design parameterof steel fatigue design and fatigue
4、load spectrum1Based on the discussions , the fatigue performance of a few types oftypical details were studied1The emphasis is on the subjects where technical guidelines are not available from the currentspecifications1Finally , it is also summarized the methods preventing fatigue failure in modern
5、steel bridges1KEY WORDS steel bridge fatigue fatigue load cable2beam anchorage welded joint orthotropic steelbridge deck tubular joint short hanger cable3 西部交通建设科技项目(编号:200431822317)。 第一作者:李小珍 男 1970年1月出生 教授 博士Email :xzhli home. 收稿日期:2006 - 03 - 18对于在使用寿命期内要承受大量循环车辆荷载 的钢桥构件来说,疲劳性能是设计时需特殊关注的 一个重要问题。
6、20世纪60年代,欧洲公路网得到 了高速发展,由于当时对公路桥梁疲劳性能认识不 足,在规范中没有规定进行抗疲劳设计,建造的钢桥 中出现了许多设计不合理的焊接接头,在随后日益 繁忙和加重的交通运输载荷下,许多焊接钢桥已经 出现了疲劳裂纹。此外,在钢结构中由于对疲劳的 认识和研究不足,曾发生过一些灾难性事故,特别是1967年美国西弗吉尼亚的Point Pleasant桥因疲劳 和断裂而突然破坏的重大事故,引起了人们对钢桥 疲劳的关注1。近些年来,随着国民经济的发展,各种形式的钢 桥开始在我国得到大规模建设,特别是一些特大型 桥梁中,钢桥更是占据了主要地位,随之一些新型结 构型式和制造工艺也不断出现
7、在现代钢桥中。目 前,我国钢桥设计的发展方向2:1)设计变得更复 杂;2)较厚(t 100mm)的高强度焊接结构材料比 薄的较低强度铆接、 栓接使用得更普遍;3)结构构造细节和制造工艺变得更复杂(焊接整体节点) ;4)结 构承受的交变荷载增大(汽车轴重的加大、 超载等) ;5)结构设计安全系数由于计算变得更精确而降低 (大型通用有限元分析软件、 专业通用计算软件等)。这些特点可能会导致大型复杂结构疲劳和断裂的概 率增加。然而,我国钢桥建设起步较晚,钢桥疲劳设 计大都是借鉴英国、 美国和日本等国家的成功经验,还缺乏对钢桥的疲劳问题进行系统深入的研究,相 关设计规范对此也没有给出明确具体的规定。因
8、 此,本文拟对现代钢桥中存在的疲劳问题进行分析。1 焊接钢桥的疲劳问题疲劳定义为由重复应力引起的裂纹起始和缓慢 扩展而产生的结构部件的损伤,疲劳断裂通常是一05科研开发钢结构 2006年第5期第21卷总第88期 种低名义应力破坏,它与脆性断裂有许多相同或相 近的特点,例如断裂前塑性变形很小,断口平齐,但 其本质与一般脆性断裂有很大不同3 ,4。111 焊接钢桥疲劳性能的影响因素 造成疲劳破坏的内因是钢材的材性和局部拉应力的集中程度,外因则是应力幅值和循环次数。工 程上常将疲劳破坏划分为三个阶段:裂纹萌生阶段、 裂纹扩展阶段、 失稳断裂破坏或由于达到某种极限 而破坏的最后阶段,如图1所示。焊接接
9、头的疲劳 强度主要由以下两点决定:1)裂纹萌生过程,它取决于焊缝的焊趾和焊根处的局部缺口应力状态(焊接 接头的几何形状变化、 焊接缺陷引起的应力集中以 及焊接残余应力等) ;2)裂纹扩展过程,它取决于裂 纹(包括缺口效应在内)的应力强度因子。绝大多数 焊接接头的疲劳裂纹产生在焊趾处,其疲劳寿命主要由裂纹扩展速率决定。依据断裂力学,接头的最 大缺口应力和应力强度因子决定其疲劳强度3 ,4。注:da/ dN为裂纹扩展速度;K为应力强度因子幅度;Kth为界限应力强度因子幅度; Kc为断裂韧性。图1 钢结构疲劳裂纹扩展行为示意112 焊接钢桥疲劳设计5 - 8对于承受车辆荷载、 风荷载等反复循环荷载的
10、钢桥构造细节,疲劳设计是在对结构进行强度设计并确定了各构件截面尺寸和连接细节后,为了避免疲劳破坏而必不可少的程序。11211 构造细节分类焊接钢桥构件通常采用细节分类法进行疲劳评定。细节类型的划分既考虑了细节的局部应力集中,可接受的最大不连续性尺寸和形状、 受力方向、冶金效应、 残余应力、 疲劳裂纹形状,在某些情况下还考虑了焊接工艺和焊后的改善处理。对于任一给定的细节类型,不同强度等级的钢材疲劳强度间的差别很小,可略去不计。11212 应力幅值由于焊接接头焊缝区的残余拉应力常常达到材料的屈服应力。因此在反复荷载作用下,其应力变化范围为屈服点fy至fy- ( 为应力幅值)。所以,对不经消除残余应
11、力的焊接接头,其疲劳破坏大多是由高残余拉应力区开裂而产生的。大量试验已经证明,焊接结构的疲劳强度主要与应力幅值有关,不再取决于平均应力大小。对焊接结构而言,可以认为平均应力不同而应力幅相同的应力循环,其疲劳损伤相同。应力脉动量的意义就在于进行疲劳设计时,只需考虑活荷载和冲击作用所产生的应力,这也是钢桥构件疲劳试验荷载取值的主要依据。11213 S-N曲线上世纪中期,Whler通过试验建立了等幅循环应力与疲劳破坏时循环次数之间的关系NSm=C ,即S-N曲线。S-N曲线上的每一特征点必须对812个试验条件完全相同的有效疲劳试验数据进行回归分析,并使其在某一存活概率(一般为9717%)内。因此在给
12、定应力幅的情况下,特定细节类型的焊接接头疲劳强度S与循环次数N的关系可用S-N曲线描述, S-N曲线上的应力可为名义应力幅,也可为结构应力幅值, S-N曲线法是疲劳设计时采用最多的方法。对钢桥焊接接头,各国设计规范中m通常取35, C与构造细节有关,由试验求得。11214 变幅荷载疲劳和疲劳累积积伤迄今为止,大部分疲劳试验都是研究等幅荷载下的疲劳问题,然而,钢桥在寿命期内承受的是随机变幅荷载,因此必须建立两者之间的关系。目前各国最新版的桥梁疲劳设计规范中,仍采用最简单Miner准则把变幅疲劳换算成等效等幅疲劳,见式(1)和式(2) :ni Ni=n1 N1+n2 N2+nn Nn=1(1) e
13、=ni( i)mni1 m (2)式中 i 各级应力幅水平;ni 各级应力幅水平对应的循环次数;Ni 各级应力幅水平对应的循环寿命;m 与构件和连接类型有关的系数; e 等效应力幅。Miner线性积累损伤法假定:1)低于疲劳极限的应力不导致疲劳损伤;2)大小不同载荷加载顺序的影响忽略不计;3)临界疲劳损伤DCR= 1。113 焊接钢桥疲劳性能薄弱部位焊接接头的疲劳性能与接头形式、 焊缝类型、 加15李小珍,等:现代钢桥新型结构型式及其疲劳问题分析Steel Construction12006 (5) , Vol121 , No188载情况和制造工艺以及缺陷状况等密切相关4 - 10。在钢桥疲劳
14、设计时,下列可能的疲劳裂纹起始 处要加以考虑:焊缝的根部或焊趾角、 冲孔或钻孔、 剪开边或锯开边、 高接触压力下的表面、 张紧索的根 部。除上述细节设计的情况外,疲劳裂纹也可能由冶炼、 制造和施工等其他原因引起:材料不连续(如 空洞、 夹渣)或焊接缺陷;由机械损伤而形成的刻痕 或擦痕;腐蚀处。2 疲劳荷载和疲劳应力谱5 - 9钢桥疲劳设计时,不应把强度设计荷载作为疲劳荷载已经得到了统一的认可。钢桥疲劳荷载应是 其使用寿命期内实际承受的运行载荷的总和,通常 以荷载谱的形式来表示。BS 5400、AASHTO等均 对疲劳荷载进行了明确规定,其标准疲劳卡车轴重 布置如图2所示,我国公路与铁路桥梁规范
15、对此均没有规定。a - BS 5400标准疲劳卡车轴重布置; b - AASHTO(1990)疲劳卡车轴重布置图2 英国和美国的标准疲劳卡车轴重布置疲劳应力谱是疲劳荷载在结构部位引起的应力 效应,是对结构进行疲劳寿命评定的主要依据,单车过桥常见应力历程如图3。应力谱必须由应力历程 的分析求得,目前桥梁中通常采用雨流法或泄水法 进行应力历程分析,求得各应力幅值及其相应的循 环次数。对于焊接钢桥复杂连接部位的应力分析, 可以通过有限元分析求得。如果条件许可,在实际桥梁的适当位置布置应变片,则可以求得更符合实 际的应力。此外,还必须考虑制造偏差、 强制变形和 扭曲、 面外变位等产生的次应力的影响,因
16、为焊接钢 桥中部分疲劳开裂就是由此所引起的。图3 卡车过桥构造细节处典型应力历程大量计算分析和现场测试表明9 - 13,不同桥型典型部位的疲劳等效换算应力与结构恒载应力的比值(也可称为欠载效应)差别较大,因此,钢桥设计时可以根据构件的欠载效应来决定是否需要考虑疲劳问题。3 现代钢桥中的典型疲劳部位15近些年来,随着国民经济的发展,各种形式的钢桥在我国得到大规模的建造,一些新型结构型式和制造工艺不断出现在我国的现代钢桥中。对于那些 构造复杂、 构造细节分类不明确、 且直接承受动力荷载的新型连接部位,其疲劳性能就需要研究,以保证 结构安全。311 斜拉桥索梁锚固结构11 - 13钢箱梁斜拉桥索梁锚固结构是斜拉索和钢梁的 传力连接构造。由于结构型式所限,该区域板件较多、 构造复杂,通常会产生非常明显的应力集中,而 且要直
